煤层气富集地质因素综述

煤层气富集地质因素综述
摘要：煤层气，是指赋存在煤层中以甲烷为主要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主、部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体，是煤的伴生矿产资源，属非常规天然气。

水动力条件对煤层气的保存关系很大。

煤层地下水滞流或流动缓慢减少了气体溶解流失，较高的水力压力有利于煤层压力的保持，阻止气体解吸。

区域构造演化、水动力条件和封闭条件，这3大控制因素决定煤层气的富集程度，为总结煤层气富集规律提供重要依据。

关键词：煤层气；矿产资源
abstract: the coal seam gas refers to the ode in coal seam methane as a main component, to be absorbed on the matrix of coal particle surface, part of free from coal pores or dissolved in coalbed water hydrocarbon gas is coal, mineral resources, is a kind of conventional natural gas. hydrodynamic conditions on coalbed methane preservation are important. coal seam groundwater stagnant or slow-moving reduces dissolved gas loss, high hydraulic pressure in favor of seam pressure, prevent gas desorption. the regional tectonic evolution, hydrodynamic condition and a closed condition, the 3 control factors of coalbed gas enrichment, as summed up cbm enrichment regularity and provide important basis.
key words: coal seam gas; mineral resources
中图分类号：f416.1文献标识码：a
1煤层气概述
煤层气，是指赋存在煤层中以甲烷为主要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主、部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体，是煤的伴生矿产资源，属非常规天然气，是近一二十年在国际上崛起的洁净、优质能源和化工原料。

全球埋深浅于2000米的煤层气资源约为240万亿立方米，是常规天然气探明储量的两倍多，世界主要产煤国都十分重视开发煤层气。

美国、英国、德国、俄罗斯等国煤层气的开发利用起步较早，主要采用煤炭开采前抽放和采空区封闭抽放方式抽放煤层气，产业发展较为成熟。

2煤层气的成因类型与形成机理
植物体埋藏后，经过微生物的生物化学作用转化为泥炭(泥炭化作用阶段)，泥炭又经历以物理化学作用为主的地质作用，向褐煤、烟煤和无烟煤转化(煤化作用阶段)。

煤体由褐煤转化为烟煤的过程，每吨煤伴随有280～350m3(甚至更多)的甲烷及100～150m3的二氧化碳析出。

泥炭在煤化作用过程中，通过两个过程，即生物成因过程和热成因过程而生成气体[1]。

生成的气体分别称为生物成因气和热成因气。

2.1生物成因气
生物成因气是指在相对低的温度(一般小于50℃)条件下，通过细菌的参与或作用，在煤层中生成的以甲烷为主并含少量其它成分
的气体。

生物成因气的生成有两种机制，即二氧化碳的还原作用和有机酸(一般为乙酸)的发酵作用。

尽管两种作用都在近地表环境中进行，但根据组分研究，大部分古代聚集的生物气可能来自二氧化碳的还原作用。

煤层中生成大量生物成因气的有利条件是：大量有机质的快速沉积、充裕的孔隙空间、低温和高ph值的缺氧环境。

按照生气时间和母质以及地质条件的不同，生物成因气有原生生物成因气和次生生物成因气两种类型，两者在成因上无本质差别。

2.1.1原生生物成因气
原生生物成因气是在煤化作用阶段早期，泥炭沼泽环境中的低变质煤(泥炭到亚烟煤)经细菌等有机质分解等一系列复杂过程所生成的气体。

由于泥炭或低变质煤中的孔隙很有限，加之埋藏浅、压力低，对气体的吸附作用也弱，故一般认为原生生物成因气难以保存下来。

2.1.2 次生生物成因气
煤系地层在后期被构造作用抬升并剥蚀到近地表，细菌通过流动水(多为雨水)可运移到煤层含水层中。

在相对低的温度下(一般小于50 ℃)，细菌通过降解和代谢作用将煤层中已生成的湿气转变成甲烷和二氧化碳，即形成次生生物成因气。

次生生物气的形成时代一般较晚(几万至几百万年前)。

煤层中存留的生物成因气大部分属于次生生物成因气。

3煤层气富集地质主要因素
3.1构造演化对煤层气成富集的控制作用
聚煤盆地回返抬升的时间早晚和长短、抬升程度均控制着煤层气的富集程度。

抬升回返时间晚而短，煤层气散失的时间就短，对煤层气藏的保存有利，如华北东部和西部地区抬升回返时间不同，煤层气富集程度具有明显差异。

抬升程度在煤层的上覆地层有效厚度得到反映，盆地回返抬升后，煤层停止生气，在没有构造热事件等特殊地质因素发生的情况下，煤层抬升后的上覆有效地层厚度直接影响着现今煤层的含气量。

我们把煤层停止生气之后上覆“有效厚度”在地史上埋藏最小的时刻称为煤层气藏形成关键时刻，此时煤层上覆“有效厚度”的压力、温度决定了现今煤层的含气量[2]。

因此，在煤层气勘探选区时，不仅要看现今的煤层厚度、煤阶、孔渗性、割理、盖层、水动力等地质条件，更重要的还要看在地质历史时期煤层停止生气之后抬升的最小埋深是否有利于煤层气的保存。

河北省大城地区由于燕山后期构造活动频繁，长期抬升剥蚀，上覆有效厚度变薄，保存条件欠佳，使大部分地区的煤层气散失，钻探结果表明该区煤层气产量低，含气饱和度和解吸压力低，不利于煤层气的开采[5]。

3.2地下水的控制作用
水动力条件对煤层气的保存关系很大。

甲烷等气体微量溶解于地下水，并随水的流动发生散失。

煤层地下水滞流或流动缓慢减少了气体溶解流失，较高的水力压力有利于煤层压力的保持，阻止气体解吸。

如我国主要煤层气盆地煤系水动力条件强的地区，不仅煤的含气量相对较低，煤层气甲烷碳同位素变轻的程度也较大；水动
力较弱的地区或滞流水区，煤层气的含量相对较高，甲烷碳同位素变轻的程度也相对较小。

滞流区和径流区具有不同的水动力条件，决定了滞流区煤层气的富集和径流区煤层气的破坏[3]。

在滞流水区，有利于煤层气的保存。

煤层水主要包括基质孔隙中的束缚水和裂隙系统中的游离水。

束缚水难以流动，游离水始终处在不断的交替循环之中，导致煤层裂隙系统中的水头和压力发生变化，使煤层中甲烷的三种赋存相态，即吸附相、溶解相和游离相的平衡发生变化，引起煤层中甲烷的溶解、运移。

煤系中的游离水溶解了煤基质割理面上的甲烷，导致了割理面上甲烷的浓度降低，使基质中的甲烷通过扩散由吸附气转变为游离气[4]。

滞流水环境有利于煤层气的富集。

3.3封闭条件的控制作用
由于煤层气以吸附气为主这一特殊赋存形式，人们往往认为盖层对煤层气聚集没有太大的影响。

实际上煤层富气与顶、底板和上覆地层的封盖有较大的关系。

致密低渗的顶、底板减少煤层气散失，保持较高的储层压力，维持吸附气体量最大，利于煤层气的富集。

理论上煤层要有足够大的含气量，最理想的保存条件是煤层处于一个封闭体系中。

可见，煤层的顶、底板及其上覆层对煤层气的富集具有重要的控制作用。

4结论
控制煤层气富集的地质因素很多。

不过总的来说，最重要的是含气性和渗透率。

含气量是基础，没有较高的含气量就不可能有气
体产出；渗透率是煤层气开采中最为重要的参数，即使含气量再高，渗透率过低还是无法开采出来。

中国高煤价煤层气开发面临的主题不是含气量低，而是渗透率低，而且难以通过压裂等方法改造，美国煤层气田的渗透率普遍比中国高两个数量级。

归纳起来可以说是煤层气“三控论”，即封盖层控制含气量，应力场控制渗透率，构造体和煤体控制富集带。

此外水文地质条件也是煤层气富集成藏的重要因素，目前研究的热点之一。

综上所述区域构造演化、水动力条件和封闭条件，这3大控制因素决定煤层气的富集程度，为总结煤层气富集规律提供重要依据。

参考文献：
[1]张新民等.中国的煤层甲烷[j].陕西科学技术出版杜1991年
[2]姜渡，秦勇．变形堞结构演化机理及其地质意义[m]．徐州：巾目矿业大学出版社．]998．
[3]朱兴珊，徐凤银，李全一．南桐矿区破坏煤发育特征及其髟响因素[j]．煤田地质与勘探．1996，24(2)：28—30．
[4]于双忠.煤矿工程地质研究[m].中国矿业大学出版社.1994
年130～140
[5]王桂粱．曹代勇，姜波等华北南部的逆冲推覆、伸展滑覆与重力滑动构造一兼论滑脱构造研究方法[m]．徐州：中国矿业大学出版社，1992．62—70。